JP2016519706A - Method for adjusting PLA bead foam - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本発明は、PLAビーズの調整方法に関し、とくに、発泡PLAビーズ発泡体に関する。さらに、本発明は、PLAビーズを焼結することにより成形物を調整する方法に関する。本方法は、A)未発泡のPLAペレットを供給するステップと、B)未発泡のPLAペレットをアニール温度に加熱し、発泡剤で飽和させるステップと、C)PLAペレットをアニール温度に維持し、発泡剤で飽和させるステップと、D)ステップC)の飽和されたPLAペレットを減圧して室温まで冷却し、発泡PLAビーズ発泡体を生成するステップとを備える。【選択図】図1The present invention relates to a method for preparing PLA beads, and more particularly to a foamed PLA bead foam. Furthermore, the present invention relates to a method for preparing a molding by sintering PLA beads. The method includes A) supplying unfoamed PLA pellets, B) heating the unfoamed PLA pellets to an annealing temperature and saturating with a blowing agent, and C) maintaining the PLA pellets at the annealing temperature; Saturating with a blowing agent; and D) reducing the saturated PLA pellets of step C) to room temperature and producing foamed PLA bead foam. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、PLAビーズの調整方法に関し、とくに、発泡PLAビーズ発泡体に関する。さらに、本発明は、PLAビーズを焼結することにより成形物を調整する方法に関する。   The present invention relates to a method for preparing PLA beads, and in particular, relates to a foamed PLA bead foam. Furthermore, the present invention relates to a method for preparing a molding by sintering PLA beads.

発泡ポリマービーズ発泡体は、梱包、断熱及び防音への応用、及び、自動車製造などのより先進的な分野での応用に広く利用される非分解性のポリマーである。全てのケースにおいて、高品質の最終製品を得るためには、ビーズ発泡体の物理的及び機械的特性が非常に重要である。また、ビーズの境界がひびの発生箇所となるので、ビーズ間の良好な接着及び十分な焼結を達成することが非常に重要である。   Foamed polymer bead foam is a non-degradable polymer that is widely used for packaging, thermal insulation and soundproofing applications, and in more advanced fields such as automobile manufacturing. In all cases, the physical and mechanical properties of the bead foam are very important to obtain a high quality end product. In addition, since the boundary of the beads becomes a crack generation point, it is very important to achieve good adhesion between the beads and sufficient sintering.

発泡ポリスチレン(EPS)、発泡ポリエチレン(EPE)、及び発泡ポリプロピレン(EPP)は、現在の市場において大規模に利用されている、よく知られたビーズ発泡体である。それらは、それらの機械的及び物理的特性に基づいて、様々なアプリケーションに利用可能である。ポリ乳酸(PLA)は、その再生可能な資源、生体適合性、及び生分解性、十分な機械的及び熱的特性のために、重要性が増しているポリマーの一つである。発泡PLA(EPLA)は、日用品への応用において、EPSの非常に良好な代替物となりうるが、最近の最も挑戦的な問題の一つは、PLAの結晶化である。PLAの結晶化は、非常にゆっくりと起こり、PLAビーズ発泡体の製造上、重要な影響を有しうる。したがって、良好な凝集力を有する高品質のビーズを実現するためには、PLAの結晶化を改良し、それにより発泡特性を改良することが非常に重要である。   Expanded polystyrene (EPS), expanded polyethylene (EPE), and expanded polypropylene (EPP) are well-known bead foams that are utilized on a large scale in the current market. They are available for various applications based on their mechanical and physical properties. Polylactic acid (PLA) is one of increasing importance because of its renewable resources, biocompatibility, and biodegradability, sufficient mechanical and thermal properties. Foamed PLA (EPLA) can be a very good replacement for EPS in everyday applications, but one of the most challenging problems recently is PLA crystallization. PLA crystallization occurs very slowly and can have a significant impact on the production of PLA bead foams. Therefore, in order to achieve high quality beads with good cohesion, it is very important to improve PLA crystallization and thereby improve foaming properties.

PLAは、コーンスターチ及びサトウキビなどの再生可能な資源に由来する熱可塑性の脂肪族ポリエステルポリマーである。PLAは、石油由来のポリマーが分解しない環境においても分解可能である。近年、PLAは、ポリエステル(PS)製品に代替可能なものとして注目を集めている。現在、発泡PS(EPS)ビーズ発泡体は、梱包、断熱及び防音、建築、及びクッション材など、様々な応用において広く利用されている。EPSは、生分解性を持たず、環境に優しくないため、PLAビーズ発泡体は、これらのEPS製品の好適な代替物となりうる。   PLA is a thermoplastic aliphatic polyester polymer derived from renewable resources such as corn starch and sugar cane. PLA can be decomposed even in an environment where petroleum-derived polymers do not decompose. In recent years, PLA has attracted attention as an alternative to polyester (PS) products. Currently, foamed PS (EPS) bead foam is widely used in various applications such as packaging, thermal insulation and sound insulation, construction, and cushioning materials. Since EPS is not biodegradable and is not environmentally friendly, PLA bead foam can be a suitable replacement for these EPS products.

現在、発泡PLA(EPLA)ビーズ発泡体を生産している企業はほとんどないが、強い機械的特性を有する三次元の最終発泡製品を製造するために、ビーズ間の良好な焼結がなお重大な要求である。   Currently, few companies produce foamed PLA (EPLA) bead foam, but good sintering between beads is still crucial to produce a three-dimensional final foam product with strong mechanical properties. It is a request.

本発明の目的は、発泡工程中に2つの結晶融解ピークを創り出すことにより、所望の三次元最終ビーズ発泡体を実現することである。   The object of the present invention is to achieve the desired three-dimensional final bead foam by creating two crystal melting peaks during the foaming process.

本方法は、発泡PLAビーズ発泡体を調整する方法であって、
A)未発泡のPLAペレットを供給するステップと、
B)前記未発泡PLAペレットをアニール温度に加熱し、発泡剤で飽和させるステップと、
C)前記PLAペレットを前記アニール温度に維持し、前記発泡剤で飽和させるステップと、
D)ステップC)の飽和された前記PLAペレットを減圧して室温まで冷却し、発泡PLAビーズ発泡体を生成するステップと、
を備える。
This method is a method of adjusting foamed PLA bead foam,
A) supplying unfoamed PLA pellets;
B) heating the unfoamed PLA pellets to an annealing temperature and saturating with a foaming agent;
C) maintaining the PLA pellet at the annealing temperature and saturating with the blowing agent;
D) decompressing the saturated PLA pellet of step C) and cooling to room temperature to produce expanded PLA bead foam;
Is provided.

本発明者らは、第1の結晶融解ピークは、より低い温度で融解する不完全な結晶の結果であり、処理中のビーズ構造において、個々のビーズを融解し接着させるように働くと考える。しかし、第2のピークは、発泡されたビーズの形状を保護する。等温の気体含浸、すなわち発泡剤で飽和させる段階中に新たに生成される結晶ピークは、融解しない結晶からの結晶相の完全性に由来し、元のピークよりも高い配向性及び高い融解温度を有する。このピークの融解温度は、典型的には、アニール温度よりも高い。本発明者らは、温度がアニール点まで上昇されたとき、融解する完全結晶が少ないほど、多くの完全結晶がアニール温度以上でも融解せずに存在すると考える。等温処理の間、融解しない結晶によるTmhighは、より高い完全性及びより厚い層により高くなる一方、より多くの結晶が高い方の融解ピークに帰するため、冷却プロセス中に形成する第1のピークの部分は小さくなる。 We believe that the first crystal melting peak is the result of incomplete crystals that melt at lower temperatures and serves to melt and bond individual beads in the bead structure being processed. However, the second peak protects the foamed bead shape. The newly generated crystal peak during the isothermal gas impregnation, i.e., saturating with blowing agent, results from the completeness of the crystal phase from the unmelted crystal, which has higher orientation and higher melting temperature than the original peak. Have. The melting temperature of this peak is typically higher than the annealing temperature. The inventors believe that the fewer the number of complete crystals that melt when the temperature is raised to the annealing point, the more complete crystals exist without melting even above the annealing temperature. During isothermal processing, the T mhigh due to unmelted crystals is higher due to higher integrity and thicker layers, while more crystals are attributed to the higher melting peak, so the first one that forms during the cooling process. The peak portion becomes smaller.

アニール温度は、好ましくは、60℃〜180℃の範囲である。   The annealing temperature is preferably in the range of 60 ° C to 180 ° C.

ステップC)におけるアニール時間は、好ましくは、10分〜300分の範囲である。   The annealing time in step C) is preferably in the range of 10 minutes to 300 minutes.

ステップA)において、PLAペレットは、好ましくは、直鎖PLA、分岐鎖PLA、及び様々な含有量のD−ラクチドを有するPLAコポリマー、又はそれらの組み合わせの群から選択される。   In step A), the PLA pellets are preferably selected from the group of linear PLA, branched PLA, and PLA copolymers having various contents of D-lactide, or combinations thereof.

ステップA)において、PLAペレットは、好ましくは、鎖延長剤、ナノ粒子、微小固体粒子、繊維、滑剤の群から選択された1以上の添加剤を含む。   In step A), the PLA pellets preferably contain one or more additives selected from the group of chain extenders, nanoparticles, fine solid particles, fibers, lubricants.

ステップA)において、PLAペレットは、好ましくは、ポリオレフィン及び/又はポリエステルと混合される。   In step A), the PLA pellets are preferably mixed with polyolefin and / or polyester.

本発明は、さらに、2つの結晶融解ピークを有する発泡PLAビーズ発泡体に関する。   The present invention further relates to a foamed PLA bead foam having two crystal melting peaks.

好ましい実施の形態において、2つのピークの間の間隔は5℃〜25℃の範囲であり、好ましくは、2つのピークの間の間隔は10℃〜20℃の範囲である。   In a preferred embodiment, the interval between the two peaks is in the range of 5 ° C to 25 ° C, and preferably the interval between the two peaks is in the range of 10 ° C to 20 ° C.

このPLAビーズは、好ましくは、直鎖PLA、分岐鎖PLA、及び様々な含有量のD−ラクチドを有するPLAコポリマー、又はそれらの組み合わせの群から選択される。好ましい実施の形態において、PLAビーズは、鎖延長剤、ナノ粒子、微小固体粒子、繊維、滑剤の群から選択された1以上の添加剤を含む。PLAビーズは、好ましくは、ポリオレフィン及び/又はポリエステルを含む。   The PLA beads are preferably selected from the group of linear PLA, branched PLA, and PLA copolymers having various contents of D-lactide, or combinations thereof. In a preferred embodiment, the PLA beads comprise one or more additives selected from the group of chain extenders, nanoparticles, microsolid particles, fibers, lubricants. The PLA beads preferably comprise a polyolefin and / or polyester.

本発明は、さらに、発泡ビーズの成型のための方法に関する。この方法において、発泡されたビーズが高温の空気及び/又は蒸気の存在下で焼結され、発泡ビーズとして上記のPLAビーズが使用される。   The invention further relates to a method for the molding of expanded beads. In this method, the expanded beads are sintered in the presence of hot air and / or steam, and the above PLA beads are used as the expanded beads.

本発明は、さらに、焼結された、2つの結晶融解ピークを有するPLAビーズをベースとする発泡成形物に関する。   The present invention further relates to a foamed molding based on PLA beads having two crystal melting peaks which are sintered.

さらに、本発明は、発泡成形物の、梱包、断熱及び防音、建築、及びクッションのための使用に関する。   Furthermore, the invention relates to the use of foamed moldings for packaging, insulation and sound insulation, construction and cushioning.

図1は、毎分10℃の加熱速度でのPLAサンプルのDSC加熱曲線を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a DSC heating curve of a PLA sample at a heating rate of 10 ° C. per minute. 図2は、様々な温度で60分アニールした分岐鎖PLAサンプルの2つのピークの研究を示す図である。FIG. 2 shows a study of the two peaks of a branched-chain PLA sample annealed at various temperatures for 60 minutes. 図3は、様々な温度で60分アニールした直鎖PLAサンプルの2つのピークの研究を示す図である。FIG. 3 shows a study of the two peaks of a linear PLA sample annealed at various temperatures for 60 minutes. 図4は、148.5℃で様々なアニール時間アニールした分岐鎖PLAサンプルの2つのピークの研究を示す図である。FIG. 4 shows a study of the two peaks of a branched chain PLA sample annealed at 148.5 ° C. for various annealing times. 図5は、異なるアニール時間での分岐鎖PLAの低温側及び高温側の融解ピークの比較及びアニールされたサンプルの最終結晶化度を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a comparison of melting peaks on the low temperature side and high temperature side of branched-chain PLA at different annealing times and the final crystallinity of the annealed sample. 図6は、4つの温度で60分アニールした分岐鎖PLAサンプルの2つのピークの研究を示す図である。FIG. 6 shows a study of the two peaks of a branched PLA sample annealed at 4 temperatures for 60 minutes. 図7は、4つの温度で300分アニールした分岐鎖PLAサンプルの2つのピークの研究を示す図である。FIG. 7 shows a study of the two peaks of a branched PLA sample annealed at four temperatures for 300 minutes. 図8は、60分及び180分間アニールしたときの分岐鎖PLAサンプルの2つのピーク間の比較を示す図である。FIG. 8 shows a comparison between two peaks of a branched PLA sample when annealed for 60 minutes and 180 minutes. 図9は、120℃〜124℃の間の飽和温度、800psiのCO圧力で、15分〜60分飽和された、発泡されたPLAビーズを示す図である。FIG. 9 shows expanded PLA beads that are saturated for 15-60 minutes at a saturation temperature between 120 ° C. and 124 ° C. and a CO 2 pressure of 800 psi. 図10は、異なるアニール温度でアニールされた分岐鎖PLAの融解温度及び結晶化度を示す図である。FIG. 10 is a graph showing the melting temperature and crystallinity of branched-chain PLA annealed at different annealing temperatures. 図11は、DSCで様々な温度でアニールされた直鎖PLAの融解温度及び結晶化度を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the melting temperature and crystallinity of linear PLA annealed at various temperatures by DSC.

望ましい2つのピーク構造を実現するために、PLAの結晶化の改良が必要である。この結晶化の改変は、ビーズの焼結に好適な2つのピークの生成の可能性だけでなく、PLAの本質的に乏しい発泡特性の向上をも提供するであろう。とくに、飽和ステップ中に形成された結晶は、非常に高品質のPLAビーズ発泡体を実現するために好ましい、PLAビーズ発泡体のセルの核生成及び発泡特性に、劇的に影響を及ぼすことができる。本質的に低融点強度のPLA分子が、高融点強度の物質になる。これは、PLA分子が結晶を通して結合し、PLAの低融点強度を改良するからである。その結果、発泡剤の損失とセルの凝集の双方を最小化することにより、PLAの発泡能力が向上される。高過ぎる結晶化度は、増加された強度のために、発泡体の発泡能力を低下させるであろうから、発泡剤の飽和中に引き起こされる結晶化度の度合いは、適切な飽和温度及び時間を選択することにより制御される必要がある。   In order to achieve the desired two-peak structure, improved crystallization of PLA is required. This modification of crystallization will provide not only the possibility of generating two peaks suitable for bead sintering, but also an improvement in the inherently poor foaming properties of PLA. In particular, the crystals formed during the saturation step can dramatically affect the cell nucleation and foaming properties of PLA bead foam, which is preferred to achieve very high quality PLA bead foam. it can. Essentially low melting strength PLA molecules become high melting strength materials. This is because PLA molecules bind through the crystal and improve the low melting strength of PLA. As a result, PLA foaming ability is improved by minimizing both foam loss and cell agglomeration. A crystallinity that is too high will reduce the foam's foaming capacity due to increased strength, so the degree of crystallinity caused during the saturation of the blowing agent will reduce the appropriate saturation temperature and time. It needs to be controlled by selecting.

発泡PLAビーズ発泡体(EPLA)をバッチプロセスにより製造する目的で、ポリ乳酸(PLA)の熱挙動の発展を調査するために、標準的な示差走査熱量測定(DSC)による調査を実行した。2つの異なる結晶化速度による直鎖及び分岐鎖PLAについて、様々なアニール温度及び時間の、2つの結晶融解ピーク生成に対する影響を調査する。   A standard differential scanning calorimetry (DSC) study was performed to investigate the evolution of the thermal behavior of polylactic acid (PLA) for the purpose of producing expanded PLA bead foam (EPLA) by a batch process. For linear and branched PLA with two different crystallization rates, the effect of various annealing temperatures and times on the generation of two crystal melting peaks is investigated.

[実験手順]
物質:本実験においては、1つの市販の直鎖PLA及び1つの長鎖分岐(LCB)PLAを使用した。直鎖PLAは、0.5重量%のタルクで改質した。分岐PLAは、直鎖PLAを0.7重量%のエポキシベースの多官能基鎖延長剤及び0.5重量%のタルクとともに溶融押し出しすることにより調整した。
[Experimental procedure]
Materials: In this experiment, one commercially available linear PLA and one long chain branched (LCB) PLA were used. Linear PLA was modified with 0.5 wt% talc. Branched PLA was prepared by melt extruding linear PLA with 0.7 wt% epoxy-based polyfunctional chain extender and 0.5 wt% talc.

示差走査熱量測定(DSC):直鎖及び分岐鎖PLAサンプルについての、2つの結晶融解ピークの生成及び発展に対するアニール温度(T)及び時間(t)の影響を、DSC2000(TA Instruments社)を用いて、DSC装置で調査した。発泡剤の不存在下において、2つの結晶融解ピークのためのバッチプロセスをシミュレートするために、サンプルを室温から異なるアニール温度まで、毎分30℃の加熱速度で加熱した。つづいて、サンプルの2つの結晶融解ピーク生成の実現性に対するアニール温度の影響を調査するために、サンプルを60分間アニールした。Tにおいてアニールした後、サンプルをTから室温まで、毎分20℃の速度で冷却した。2つのピーク生成に対するアニールの影響を調査するために、サンプルを毎分10℃の加熱速度で200℃まで加熱することにより、第2の加熱運転を実行した。 Differential Scanning Calorimetry (DSC): The effect of annealing temperature (T s ) and time (t s ) on the generation and evolution of two crystal melting peaks for linear and branched PLA samples was measured by DSC 2000 (TA Instruments). Was investigated with a DSC apparatus. In the absence of blowing agent, the samples were heated from room temperature to different annealing temperatures at a heating rate of 30 ° C. per minute to simulate a batch process for two crystal melting peaks. Subsequently, the sample was annealed for 60 minutes in order to investigate the effect of annealing temperature on the feasibility of generating two crystal melting peaks in the sample. After annealing at T s , the sample was cooled from T s to room temperature at a rate of 20 ° C. per minute. In order to investigate the effect of annealing on the two peak generations, a second heating run was performed by heating the sample to 200 ° C. at a heating rate of 10 ° C. per minute.

[図1]
図1は、シミュレーション目的のためのアニール工程前の直鎖及び分岐鎖PLAサンプルの加熱サーモグラフを示す。図示されるように、双方のサンプルの溶融温度は約148℃である。また、直鎖PLAは、より遅い結晶化速度のために、分岐鎖PLAよりも高い冷結晶化ピーク温度(Tcc)を示す一方、分岐鎖PLAにおいては、冷結晶はかなり速く形成されうる。これは、分岐された構造が結晶核の役割を果たすために、分岐された構造はより速い結晶化速度を有することを示す。
[Figure 1]
FIG. 1 shows a heating thermograph of linear and branched PLA samples before the annealing step for simulation purposes. As shown, the melting temperature of both samples is about 148 ° C. Linear PLA also exhibits a higher cold crystallization peak temperature (T cc ) than branched PLA due to slower crystallization rates, while cold crystals can be formed much faster in branched PLA. This indicates that the branched structure has a faster crystallization rate because the branched structure acts as a crystal nucleus.

等温アニール工程は、直鎖及び分岐鎖PLAの双方の2つの融解ピークの形成を調査するために適用された。   An isothermal annealing step was applied to investigate the formation of two melting peaks, both linear and branched PLA.

図2は、様々な温度で60分間等温アニールした後の分岐鎖PLAの加熱グラフを示す。図示されるように、140℃で等温アニールする間、アニール温度がTmよりもかなり低いため、PLAサンプル内に存在する結晶のほとんどは融解しないままであった。しかし、高温でアニールすると、結晶層がより厚くなり、結晶の再配列が起こるので、主となる融解ピークは、結晶の完全性のために、より高温にシフトする。さらに、アニール温度を145℃に上昇させることにより、アニール工程の間、結晶のある部分は融解し、融解しない結晶の部分は再配列を開始し、図2において第2の融解ピークとして現れる、より厚い層が形成される。第1のピークは、アニール後の冷却工程の結果として現れる。これらは、アニール中に融解した結晶であり、冷却中に元の融解ピーク(第1ピーク)として形成されうる。さらに、アニール温度を150℃に上昇させることにより、アニール工程中に融解する結晶の量が増加するので、アニール中に融解しないままである結晶の量は少なくなる。したがって、アニール後の冷却中に、結晶の多くの部分は元の第1のピークを形成し、完全にされたより厚い層である第2のピークは小さくなる。実際、飽和温度が上昇されると、融解しない結晶の量は減少するため、第2のピークは優勢ではなくなる。その結果、冷却工程中に形成される第1のピークの部分が増加する。アニール温度を152.5℃に上昇させると、存在する全ての結晶がアニール工程中に融解するため、冷却工程後、全ての結晶が元の第1のピークのみを形成する。
[図2]
FIG. 2 shows a heating graph of the branched PLA after isothermal annealing at various temperatures for 60 minutes. As shown, most of the crystals present in the PLA sample remained unmelted during the isothermal annealing at 140 ° C. because the annealing temperature was much lower than Tm. However, when annealing at high temperatures, the crystal layer becomes thicker and crystal rearrangement occurs, so the main melting peak shifts to higher temperatures due to crystal integrity. Furthermore, by increasing the annealing temperature to 145 ° C., during the annealing process, some parts of the crystal melt and parts of the crystal that do not melt begin to rearrange and appear as the second melting peak in FIG. A thick layer is formed. The first peak appears as a result of the cooling step after annealing. These are crystals that melt during annealing and can be formed as the original melting peak (first peak) during cooling. Furthermore, increasing the annealing temperature to 150 ° C. increases the amount of crystals that melt during the annealing process, thus reducing the amount of crystals that remain unmelted during annealing. Thus, during cooling after annealing, a large portion of the crystal forms the original first peak and the second peak, the thicker layer that has been completed, becomes smaller. In fact, as the saturation temperature is increased, the amount of crystals that do not melt decreases, so the second peak is not dominant. As a result, the first peak portion formed during the cooling process increases. When the annealing temperature is increased to 152.5 ° C., all the existing crystals melt during the annealing process, so after the cooling process, all the crystals form only the original first peak.
[Figure 2]

図2に示されるグラフの融解温度及び結晶化度の結果を図10に示す。この結果は、分岐鎖PLAのサンプルを、その融解ピーク(148℃)付近でアニールした場合に、最大総結晶化度が約30%である分岐鎖PLAのサンプルにおいて2つの結晶融解ピークが生成されうることを示す。
[図10]
FIG. 10 shows the melting temperature and crystallinity results of the graph shown in FIG. This result shows that when a branched-chain PLA sample is annealed near its melting peak (148 ° C.), two crystalline melting peaks are generated in the branched-chain PLA sample having a maximum total crystallinity of about 30%. Indicate.
[FIG. 10]

[図3]
図3は、様々な温度で60分間等温でアニールした後の直鎖PLAの加熱グラフを示す。図示されるように、より低い結晶性を有する直鎖PLAであっても、約143℃でアニールした場合、適度に高い総結晶化度(図11)で2つのピークを生成しうる。おそらく直鎖PLAに存在する鎖の分岐鎖PLAよりも高い規則性のために、約143℃でも分岐鎖PLAと同様に第2のピークが明確に現れる。
[Fig. 3]
FIG. 3 shows a heating graph of linear PLA after annealing isothermally at various temperatures for 60 minutes. As shown, even a linear PLA with lower crystallinity can produce two peaks with a reasonably high total crystallinity (FIG. 11) when annealed at about 143 ° C. The second peak clearly appears at about 143 ° C. as well as the branched PLA, probably because of the higher regularity of the chain present in the linear PLA.

図10及び11によれば、生成された2つのピークの間の間隔は約15℃である。これは、蒸気室成形品製造ステップにおける加工条件幅(ウィンドウ)とみなされうる。
[図11]
According to FIGS. 10 and 11, the spacing between the two peaks produced is about 15 ° C. This can be regarded as a processing condition width (window) in the steam chamber molded product manufacturing step.
[Fig. 11]

[図4及び5]
図4は、148.5℃で様々なアニール時間、分岐鎖PLAサンプルをアニールした結果を示す。温度をTまで上昇させ、すぐに(0分)冷却したとき、より完全性の高い、融解しなかった結晶は、第2のピークとして現れ、より多くの融解した結晶は、冷却工程中に再形成され、第1のピークとして現れる。アニール時間を10分から300分まで増加させることにより、第2のピークを形成する融解しない結晶は、より厚い層及びより完全な結晶を形成するための拡散時間をより長く受けるので、冷却工程中に第1のピークとして再形成される可能性のある結晶がより少なくなる。実際、アニール時間を増加させることにより、より完全な結晶が形成し、より高い完全性を有する第2のピークの量が増加し、冷却工程中に第1のピークとなる結晶はほとんど残らない。言い換えれば、より長いアニール時間の間に、結晶の完全性は更に増加され、第2の高温融解ピーク(Tmhigh)はより高い温度に形成された。さらに、アニールされたサンプルの総結晶化度も、より長いアニール時間の後に向上された。他方、蒸気室成形において重要な問題であり、加工条件幅を示す2つのピークの間隔は、図5に示される。図5は、より長いアニール時間の間に、ピーク間の間隔がより大きくなることを示す。より長いアニール時間により、第2のピークがより高温側に形成されるので、第1のピークとの間隔が更に増加する。
[FIGS. 4 and 5]
FIG. 4 shows the results of annealing a branched chain PLA sample at 148.5 ° C. for various annealing times. When the temperature is increased to T s and immediately cooled (0 minutes), more complete, unmelted crystals appear as a second peak, and more molten crystals are removed during the cooling process. Re-forms and appears as the first peak. By increasing the annealing time from 10 minutes to 300 minutes, the unmelted crystals forming the second peak will experience longer diffusion times to form thicker layers and more complete crystals, so during the cooling process Fewer crystals can be reshaped as the first peak. In fact, increasing the annealing time results in the formation of more complete crystals, increasing the amount of the second peak with higher integrity, and leaving few crystals that become the first peak during the cooling process. In other words, during the longer annealing time, the crystal integrity was further increased and the second high temperature melting peak (T mhigh ) was formed at a higher temperature. Furthermore, the total crystallinity of the annealed samples was also improved after longer annealing times. On the other hand, it is an important problem in steam chamber molding, and the interval between two peaks indicating the processing condition width is shown in FIG. FIG. 5 shows that the spacing between the peaks becomes larger during the longer annealing time. Since the second peak is formed on the higher temperature side due to the longer annealing time, the distance from the first peak is further increased.

[図6及び7]
また、図6及び7は、分岐鎖PLAサンプルを、4つのアニール温度において、それぞれ60分及び180分間アニールした結果を示す。アニール温度が150℃で、アニール時間が60分の場合についてみると、アニール工程中に結晶の多くの部分が融解し、冷却工程中に再形成するが、完全結晶を意味する第2のピークは、非常に小さい部分を占める。しかし、アニール時間が180分である場合、完全な結晶の量が増加し、第2のピークが大きくなり、微結晶は、より均等に第1及び第2のピークに帰する。
[FIGS. 6 and 7]
6 and 7 show the results of annealing a branched-chain PLA sample at four annealing temperatures for 60 minutes and 180 minutes, respectively. In the case where the annealing temperature is 150 ° C. and the annealing time is 60 minutes, a large part of the crystal melts during the annealing process and re-forms during the cooling process. Occupies a very small part. However, if the annealing time is 180 minutes, the amount of complete crystals increases, the second peak becomes larger, and the microcrystals are attributed more evenly to the first and second peaks.

他のアニール温度についても同様の挙動が現れる。例えば、147℃において、60分のアニール時間の後、第2のピークは第1のピークに比べてより大きな容量を形成するが、より長いアニール時間により、第2の結晶融解ピークの量は増加する。アニール温度を152.5℃に上昇させると、180分後においてもなお全ての結晶がアニール中に融解し、冷却工程中に第1のピークとして再形成する。   Similar behavior appears for other annealing temperatures. For example, at 147 ° C., after an annealing time of 60 minutes, the second peak forms a larger capacity than the first peak, but the longer annealing time increases the amount of the second crystal melting peak. To do. When the annealing temperature is increased to 152.5 ° C., all crystals still melt during annealing after 180 minutes and re-form as the first peak during the cooling process.

[図8]
図8は、3つのアニール温度において60分及び180分間アニールしたサンプルの2つのピーク間の間隔を示す。3つの選択されたアニール温度の全てにおいて、ピーク間の間隔は、アニール時間が180分である場合に、ほぼ2〜3℃高くなる。
[Fig. 8]
FIG. 8 shows the spacing between the two peaks of the samples annealed at three annealing temperatures for 60 minutes and 180 minutes. In all three selected annealing temperatures, the spacing between the peaks is approximately 2-3 ° C. higher when the annealing time is 180 minutes.

本発明者らは、発泡PLAビーズ発泡体(EPLA)を製造するために、PLAについて、2つの結晶融解ピークの生成の可能性を調査した。結晶性の異なる直鎖及び分岐鎖の双方のPLAが、適度に高い最終結晶化度で、2つの結晶融解ピークを生成可能である。第2のピークは、結晶の完全性のために現れるが、第1のピークは、アニール後の冷却工程中に形成する。他方、アニール時間をより長くすることにより、完全化された結晶の量が増加するだけでなく、より高い結晶の完全性のために融解ピーク温度も上昇する。   We investigated the possibility of generating two crystal melting peaks for PLA to produce expanded PLA bead foam (EPLA). Both linear and branched PLA with different crystallinity can produce two crystal melting peaks with a reasonably high final crystallinity. The second peak appears due to crystal integrity, but the first peak forms during the cooling step after annealing. On the other hand, longer annealing times not only increase the amount of crystals that are perfected, but also increase the melting peak temperature due to higher crystal integrity.

さらに、ポリ乳酸(PLA)ビーズ発泡体が、2つの結晶融解ピーク構造を生成する1ステップの製造方法を用いて製造された。PLAの2つの結晶融解ピークは、成形段階中のビーズ発泡体間の自己拡散焼結のために用いられる。焼結されたビーズは、結晶の部分的な融解によって、優れた機械的特性を有する三次元発泡製品を製造するために用いられる。   In addition, polylactic acid (PLA) bead foam was manufactured using a one-step manufacturing method that produced two crystalline melting peak structures. The two crystal melting peaks of PLA are used for self-diffusion sintering between bead foams during the molding stage. Sintered beads are used to produce three-dimensional foam products with excellent mechanical properties by partial melting of crystals.

焼結技術において、バッチベースのビーズ発泡処理における等温飽和ステップ中に形成される高温融解ピーク結晶は、商品のために必要な高温においてもビーズの幾何学的配置を維持するために用いられる。元の結晶よりも高い温度におけるこの結晶融解ピークの形成は、ほぼ融解温度近くで実行される発泡剤飽和段階中に誘導される結晶の完全性に起因する。発泡剤による飽和の後、冷却中に、発泡が起こると同時に、より低い温度の融解ピークが形成される。   In the sintering technique, the high temperature melting peak crystals formed during the isothermal saturation step in the batch based bead foaming process are used to maintain the bead geometry even at the high temperatures required for commercial products. The formation of this crystal melting peak at a higher temperature than the original crystal is due to the crystal integrity induced during the blowing agent saturation stage, which is carried out near the melting temperature. After saturation with the blowing agent, during cooling, foaming occurs and at the same time a lower temperature melting peak is formed.

蒸気室成形プロセスにおいて(すなわち、ビーズの焼結を引き起こし、三次元発泡製品を製造するための最終処理ステップにおいて)、発泡PLAビーズが金型の空洞に供給される。つづいて、低温の融解ピークと新たに生成された高温の融解ピークとの間の温度である高温の蒸気が、ビーズを加熱するために金型の空洞に供給される。この高温の蒸気に曝されたとき、ビーズの低温融解ピーク結晶は融解する。これによりビーズは互いに焼結されるが、ビーズに含まれる融解しない高温融解ピーク結晶は、ビーズ全体の幾何学的形状を維持する。低温融解ピーク結晶は融解し、ビーズ間で分子の拡散が起こる。その結果、ビーズの全体の幾何学的形状は維持され、発泡製品は、金型の空洞の形状で、ビーズ間での分子の拡散から形成される優れたビーズの焼結による良好な幾何学的形状を有する。このPLAの高品質な焼結は、製品に優れた機械的特性を付与するであろう。   In the vapor chamber molding process (ie, in the final processing step to cause sintering of the beads and produce a three-dimensional foam product), foamed PLA beads are fed into the mold cavity. Subsequently, hot steam, which is the temperature between the cold melting peak and the newly generated hot melting peak, is fed into the mold cavity to heat the beads. When exposed to this hot vapor, the cold melting peak crystals of the beads melt. This causes the beads to sinter together, but the unmelted hot melt peak crystals contained in the beads maintain the overall bead geometry. Low temperature melting peak crystals melt and molecular diffusion occurs between the beads. As a result, the overall geometric shape of the beads is maintained, and the foamed product is in the shape of a mold cavity and has a good geometric shape due to excellent bead sintering formed from the diffusion of molecules between the beads. Has a shape. This high quality sintering of PLA will give the product excellent mechanical properties.

本発明において、発泡されていないPLAペレットが、実験室スケールのオートクレーブシステム中で、物理発泡剤をペレットに含浸させるとともに、昇温された温度で飽和された。2つの結晶融解ピーク構造を生成するための飽和温度の範囲は、PLAの融解温度及びPLAペレットに溶解される発泡剤の量により決定された。PLAペレットに溶解された発泡剤の可塑化の度合いは、PLA発泡ビーズにおいて2つの結晶融解ピークを生成するために必要な飽和温度範囲を変化させた。PLA飽和プロセスは、十分な量の高融解温度の完全結晶が形成されうる様々な時間で行った。   In the present invention, unfoamed PLA pellets were saturated at elevated temperature while impregnating the pellets with a physical blowing agent in a laboratory scale autoclave system. The range of saturation temperature to produce the two crystal melting peak structures was determined by the PLA melting temperature and the amount of blowing agent dissolved in the PLA pellets. The degree of plasticization of the blowing agent dissolved in the PLA pellets changed the saturation temperature range required to produce two crystal melting peaks in the PLA expanded beads. The PLA saturation process was performed at various times when a sufficient amount of high melting temperature complete crystals could be formed.

使用された飽和温度範囲は、使用された発泡剤の含浸量を変化させつつ、60℃〜180℃の間とした。チャンバーにおいて供給された含浸圧力は70psi以上とした。本発明の目的のために、PLAポリマーは様々な含有量のD−ラクチドを有するコポリマーである。様々な種類の鎖延長剤を含む、異なる分岐の度合いのPLAポリマーが使用された。さらに、ナノ粒子、微小化された添加剤、繊維、及び滑剤を含む異なる粒子と混合されたPLAポリマーも使用された。2つの結晶融解ピーク構造を有するビーズ発泡体の他のオプションは、ポリオレフィン及びポリエステルを有するPLAブレンドである。異なる種類の発泡剤は、例えばブタン及びペンタンなどの炭化水素などの有機化合物である。それから、COなどの揮発性の発泡剤がある。このような異なる発泡剤の混合物もまた別の選択肢である。 The saturation temperature range used was between 60 ° C. and 180 ° C. while varying the amount of impregnation of the used blowing agent. The impregnation pressure supplied in the chamber was 70 psi or more. For the purposes of the present invention, PLA polymers are copolymers with various contents of D-lactide. Different degrees of branching PLA polymers were used, including various types of chain extenders. In addition, PLA polymers mixed with different particles including nanoparticles, micronized additives, fibers, and lubricants were also used. Another option for bead foam with two crystal melting peak structures is a PLA blend with polyolefin and polyester. Different types of blowing agents are organic compounds such as hydrocarbons such as butane and pentane. Then, there is a volatile blowing agent such as CO 2. Such a mixture of different blowing agents is also another option.

飽和中にPLAペレットを懸濁させるために、水などの懸濁媒質を用いた。懸濁媒質は、懸濁媒質に溶解しない有機又は無機化合物などの様々な懸濁安定剤と混合されてもよい。例えばシリコンオイルなどの様々な界面活性剤が、懸濁助剤として懸濁媒質に適用されてもよい。   A suspension medium such as water was used to suspend the PLA pellets during saturation. The suspending medium may be mixed with various suspension stabilizers such as organic or inorganic compounds that do not dissolve in the suspending medium. Various surfactants, such as silicone oil, may be applied to the suspending medium as a suspending aid.

PLAサンプルの結晶化速度(すなわち、核生成及び拡張)は、飽和温度、溶解された発泡剤の量、及び飽和時間により影響されうる。したがって、生成された高融解温度完全結晶は、飽和ステップ中に異なる結晶化速度を有しうる。このように、PLAビーズ発泡体のセル構造及び発泡は、異なる飽和条件下で結晶化速度が変化することにより影響されうる。核になった結晶の数及びその大きさの変化は、異成分からなるセルの核生成に影響しうる。結晶化速度の変化は、PLAの融解強度にも影響しうる。発泡PLAビーズの膨張比は、異なる結晶化速度によりもたらされる融解強度の変化により影響されるであろう。   The crystallization rate (ie nucleation and expansion) of the PLA sample can be influenced by the saturation temperature, the amount of blowing agent dissolved, and the saturation time. Thus, the high melting temperature perfect crystals produced can have different crystallization rates during the saturation step. Thus, the cell structure and foaming of PLA bead foam can be influenced by changing the crystallization rate under different saturation conditions. Changes in the number of nucleated crystals and their size can affect the nucleation of cells of different components. Changes in the crystallization rate can also affect the melting strength of PLA. The expansion ratio of expanded PLA beads will be affected by changes in melt strength caused by different crystallization rates.

2つの結晶融解ピーク構造を有するPLAビーズ発泡体は、室温で貯蔵することができる。PLAビーズ発泡体の膨張比は100倍以下であり、セルは閉じたものが支配的であった。ビーズ発泡体のセルの密度は、10〜1013セル/cmの間の範囲であった。 PLA bead foam with two crystalline melting peak structures can be stored at room temperature. The expansion ratio of the PLA bead foam was 100 times or less, and the closed cells were dominant. The cell density of the bead foam ranged between 10 6 to 10 13 cells / cm 3 .

発泡されたビーズは、梱包、絶縁、及び建設などの様々な応用のための三次元発泡製品を製造するために、蒸気又は熱い空気を用いた発泡成形処理中に焼結することができる。低融解温度結晶(すなわち、第1のピークの結晶)が発泡成形中に融解して、ビーズ間で分子の拡散が生じるため、焼結されたビーズは優れた機械的特性を有する。この処理は、発泡されたビーズの強い自己焼結作用に寄与した。他方、生成された高融解温度の完全結晶は、発泡されたビーズの形態及び構造の維持に強く寄与した。   The foamed beads can be sintered during a foam molding process using steam or hot air to produce three-dimensional foam products for various applications such as packaging, insulation, and construction. Sintered beads have excellent mechanical properties because low melting temperature crystals (i.e., first peak crystals) melt during foam molding and molecular diffusion occurs between the beads. This treatment contributed to the strong self-sintering action of the foamed beads. On the other hand, the full crystals of high melting temperature produced strongly contributed to the maintenance of foamed bead morphology and structure.

分岐鎖PLAペレットを例として用いた。PLAは、含有量4.6%のD−ラクチドを有する。Linde Gasによる純度99.98%のCOを飽和ガスとして供給した。 A branched PLA pellet was used as an example. PLA has a D-lactide content of 4.6%. CO 2 having a purity of 99.98% by Linde Gas was supplied as a saturated gas.

分岐鎖PLAサンプルを、実験室スケールのオートクレーブシステムにおいて、115℃〜130℃の間の温度範囲で、700psi〜900psiのCO圧力で飽和させた。飽和時間は、15分〜60分の間で変化させた。 Branched-chain PLA samples were saturated in a laboratory scale autoclave system at a temperature range between 115 ° C. and 130 ° C. with a CO 2 pressure of 700 psi to 900 psi. The saturation time was varied between 15 and 60 minutes.

まず、PLAペレットを異なる飽和温度に加熱し、様々な飽和時間、溶解されたガスに含浸した。飽和後、チャンバーの底に設けられたボール弁を開放することにより、PLAサンプルを、懸濁媒質、安定剤、界面活性剤、及び飽和されたCOガスとともに排出した。急激に減圧し、冷却することにより、PLA発泡ビーズを形成した。図9は、120℃〜124℃の温度で飽和された、発泡されたサンプルのセル構造を示す。CO圧力は800psiとし、飽和時間は15分〜60分の間とした。2つの結晶融解ピーク構造を有する発泡されたビーズは、5〜40倍の間の膨張比を有した。
[図9]
First, PLA pellets were heated to different saturation temperatures and impregnated with dissolved gas for various saturation times. After saturation, the PLA sample was discharged with the suspension medium, stabilizer, surfactant, and saturated CO 2 gas by opening the ball valve provided at the bottom of the chamber. PLA foam beads were formed by rapidly depressurizing and cooling. FIG. 9 shows the cell structure of a foamed sample saturated at a temperature of 120 ° C. to 124 ° C. CO 2 pressure was 800 psi, saturation time was between 15 minutes to 60 minutes. Expanded beads with two crystal melting peak structures had an expansion ratio between 5 and 40 times.
[Fig. 9]

Claims (15)

A)未発泡のPLAペレットを供給するステップと、
B)前記未発泡のPLAペレットをアニール温度に加熱し、発泡剤で飽和させるステップと、
C)前記PLAペレットを前記アニール温度に維持し、前記発泡剤で飽和させるステップと、
D)ステップC)の飽和された前記PLAペレットを減圧して室温まで冷却し、発泡PLAビーズ発泡体を生成するステップと、
を備えることを特徴とする発泡PLAビーズ発泡体を調整する方法。
A) supplying unfoamed PLA pellets;
B) heating the unfoamed PLA pellet to an annealing temperature and saturating with a foaming agent;
C) maintaining the PLA pellet at the annealing temperature and saturating with the blowing agent;
D) decompressing the saturated PLA pellet of step C) and cooling to room temperature to produce expanded PLA bead foam;
A method for preparing a foamed PLA bead foam, comprising:
前記アニール温度は60℃〜180℃の範囲である請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the annealing temperature is in the range of 60C to 180C. ステップC)におけるアニール時間は10分〜300分の範囲である請求項1又は2の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the annealing time in step C) ranges from 10 minutes to 300 minutes. ステップA)において、前記PLAペレットは、直鎖PLA、分岐鎖PLA、及び様々な含有量のD−ラクチドを有するPLAコポリマー、又はそれらの組み合わせの群から選択される請求項1から3のいずれかの方法。   4. In step A), the PLA pellets are selected from the group of linear PLA, branched PLA, and PLA copolymers having various contents of D-lactide, or combinations thereof. the method of. ステップA)において、前記PLAペレットは、鎖延長剤、ナノ粒子、微小固体粒子、繊維、滑剤の群から選択された1以上の添加剤を含む請求項4の方法。   5. The method of claim 4, wherein in step A) the PLA pellet comprises one or more additives selected from the group of chain extenders, nanoparticles, fine solid particles, fibers, lubricants. ステップA)において、前記PLAペレットは、ポリオレフィン及び/又はポリエステルと混合される請求項4又は5の方法。   6. The method according to claim 4 or 5, wherein in step A) the PLA pellets are mixed with a polyolefin and / or polyester. 2つの結晶融解ピークを有する発泡PLAビーズ発泡体。   Expanded PLA bead foam with two crystal melting peaks. 2つのピークの間の間隔が5℃〜25℃の範囲である請求項7のPLAビーズ。   The PLA bead of claim 7 wherein the spacing between the two peaks ranges from 5 ° C to 25 ° C. 2つのピークの間の間隔が10℃〜20℃の範囲である請求項8のPLAビーズ。   The PLA bead of claim 8 wherein the spacing between the two peaks is in the range of 10 ° C to 20 ° C. 前記PLAビーズは、直鎖PLA、分岐鎖PLA、及び様々な含有量のD−ラクチドを有するPLAコポリマー、又はそれらの組み合わせの群から選択される請求項7から9のいずれかのPLAビーズ。   The PLA bead of any of claims 7 to 9, wherein the PLA bead is selected from the group of linear PLA, branched PLA, and PLA copolymers having various contents of D-lactide, or combinations thereof. 前記PLAビーズは、鎖延長剤、ナノ粒子、微小固体粒子、繊維、滑剤の群から選択された1以上の添加剤を含む請求項7から10のいずれかのPLAビーズ。   The PLA bead according to any one of claims 7 to 10, wherein the PLA bead includes one or more additives selected from the group of chain extenders, nanoparticles, fine solid particles, fibers, and lubricants. 前記PLAビーズは、ポリオレフィン及び/又はポリエステルを含む請求項7から11のいずれかのPLAビーズ。   The PLA bead according to claim 7, wherein the PLA bead includes polyolefin and / or polyester. 発泡ビーズの成型のための方法であって、
発泡されたビーズが高温の空気及び/又は蒸気の存在下で焼結され、
前記発泡ビーズとして請求項7から12のいずれかのPLAビーズが使用される
ことを特徴とする発泡ビーズを成形する方法。
A method for molding foam beads,
The foamed beads are sintered in the presence of hot air and / or steam;
A method for forming foam beads, wherein the PLA beads according to claim 7 are used as the foam beads.
焼結された、2つの結晶融解ピークを有するPLAビーズに基づいた発泡成形物。   Foam molding based on PLA beads with two crystal melting peaks sintered. 請求項14の発泡成形物の、梱包、断熱及び防音、建築、及びクッションのための使用。   Use of the foamed molding according to claim 14 for packaging, insulation and sound insulation, construction and cushioning.
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